[设计开发] 转轮曲柄直线活塞压缩机新发明

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xiaoyue888

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发表于 2016-5-23 11:32 |只看该作者 |正序浏览

转轮曲柄直线活塞压缩机创新技术

文/周觉明
引言
目前所使用的容积活塞式压缩机，其内部结构以曲柄连杆机构为主，曲柄连杆机构的特征决定了现有活塞式压缩机存在的各种缺陷，无法进一步得到有效的改善；要大幅度提高活塞式压缩机的各项性能，最有效的途径是改变活塞式压缩机的运动机构。
基本结构
  如图1所示，转轮曲柄直线活塞压缩机的转轮直线活塞变速加力机构由汽缸、曲轴、直线活塞、转轮组成。转轮安装在直线活塞的转轮套中，曲轴的轴颈安装在转轮的轴颈套中；曲轴旋转，转轮在轴套中回旋摆动，带动直线活塞在汽缸中往复直线运动。

图1是转轮曲柄直线活塞压缩机的剖视图。

图2是曲轴与转轮的安装示意图。

图3是带有组合副的转轮安装示意图。
曲轴两端轴承支撑转动，转轮的结构如图3所示，采用分体组合副与曲轴的主轴颈活动安装。

工作原理
1.转轮直线活塞变速加力机构的运动特征。
下图中曲轴轴体圆心A到轴颈圆心的距离B为曲轴的偏心距离AB，转轮圆心C到轴颈圆心B的偏心距离BC大于曲轴的偏心距离AB。
直线活塞在上止点与下止点时，曲轴轴体圆心A、轴颈圆心B及转轮圆心C在汽缸的中心线上；曲轴轴体的圆心B是固定不动的，轴颈圆心A围绕圆心B旋转时，转轮圆心C在汽缸中心线上上下往复移动。

图4是直线活塞往复运动过程的示意图。
2.曲柄转角与活塞行程的关系。
计算实例：
以活塞行程60mm的压缩机为例，曲轴偏心距AB = 30mm，转轮的偏心距BC = 34mm，直线活塞在下止点向上止点运动进行压缩排气工作，曲柄转角为90°时，直线活塞从下止点向上止点运动了48mm。
计算公式：
活塞行程  d = AB+BC--AC
曲柄转角为90°时，AC2=BC2--AB2
活塞行程d = 30+34-16=48mm
直线活塞行程为60mm，压缩排气行程中，曲柄旋转90°时，直线活塞由下止点向上运动了48mm。也就是压缩排气过程中曲柄旋转180°，旋转90°直线活塞运动48mm，继续旋转90°，直线活塞运动12mm。
从以上实例可以看出，曲轴做匀速旋转运动时，直线活塞的运动速度发生了改变。在曲轴偏心距离AB不变的情况下，调整转轮的偏心距BC的数值，来改变直线活塞的运动速度。根据力学公式P = FV，在曲轴输入功率不变的情况下，降低直线活塞的运动速度，增加曲轴对直线活塞的推力。直线活塞由下止点向上止点运动，直线活塞由相对静止做加速运动后，做相对减速运动。直线活塞在压缩与排气行程中，直线活塞受到气体的反压力逐步增加，直线活塞做减速运动，直线活塞受到曲轴的推力增加。
3. 曲轴中心偏移技术
   从下图可以看出，转轮的圆心C在汽缸的中心线上，曲轴轴体的圆心在汽缸中心线的右侧。曲轴顺时针转动时，实现压缩排气工作过程曲柄转角大于180°，进气工作过程中曲柄转角小于180°。曲柄旋转360°，曲轴轴体圆心与中心线的垂直距离增大时，压缩排气过程中曲柄转角度数增大，进气过程曲柄转角的度数相对减小。

图5是曲轴中心偏移的工作原理图。
有益效果
1. 运动部件由转轮、曲轴与直线活塞组成结构简单，取消连杆后不但震动减弱，还节约高度空间与制作成本。
2.直线活塞运动中曲轴动平衡旋转转轮回旋摆动，动平衡性能好，直线活塞无侧向力。
3.直线活塞直线运动，活塞环泄漏值相对较小。
4.可以根据压缩比及工作状况，自由设定直线活塞运动速度，实现调节扭力与工况相适应。
5.采用曲轴中心偏移技术，实现压缩排气工作过程曲柄转角大于180°，进气工作过程中曲柄转角小于180°。
6. 根据以上有益效果，通过修改活塞式压缩机的国家与国际能效标准，用“颠覆式创新”推动整个活塞式压缩机行业的转型升级。